Сутність залізобетону
Бетон є штучний камінь, який добре працює на стиск і набагато гірше на розтяг (опір бетону стиску в 15-20 разів вищий опору на розтяг. Тому бетонні конструкції використовують там де вони є масивними і працюють на стиск (колони, стіни, ф-ти).
Приклад.
Розглянемо деформований стан бетонної балки
Рис.1.
При дії навантаження на балку в верхній зоні виникають напруження стиску, в нижній – розтягнення. Як тільки рівень напруження в розтягнутій зоні досягає граничної величини, утворюється тріщина в перерізі з максимальним моментом та подальше руйнування (крихке).
Міцність такої балки визначається низьким опором бетону на розтяг, а міцність бетону на стиск далеко не вичерпана.
Розглянемо деформований стан залізобетонної балки
Рис.2.
Армування розтягнутої зони збільшує несучу спроможність балки приблизно в 20 разів. (Арматура – armement – озброєння).
Після утворення тріщин в бетоні розтягнутої зони руйнування балки не відбувається, тому що зусилля розтягу сприймається арматурою.
Робота залізобетонної балки зі звичайною арматурою з тріщинами в розтягнутій зоні є нормальним явищем.
Задача: підвищення тріщиностійкості
Ідея попередньо напружених ЗБК
При дії навантаження перші тріщини в бетоні розтягнутої зони в балках зі звичайною арматурою виникають при напруженні в арматурі
σs = 20 ÷ 40 МПа
При напруженні σs = 200 ÷ 400 МПа ширина тріщин становить 0,3 ÷ 0,4 мм і є граничною величиною.
Зону, яка від дії експлуатаційного навантаження буде розтягнутою, необхідно попередньо обтиснути. Цей захід підвищує тріщиностійкість з.б. елементів.
Зону розтягу обтискують попередньо напруженою арматурою. Арматуру натягують до певного рівня напружень і закріплюють на упорах. Після набору міцності бетону арматуру звільняють з упорів, і вона, намагаючись прийняти природнє становище, обтискує бетон. Такі ЗБК називають попередньо напруженими.
Рис. 3.
Рис.4. Епюри напружень до прикладання навантаження
В попередньо напружених ЗБК використовують високоміцні бетони та арматуру. В результаті маємо економію матеріалів та підвищену жорсткість .
Ідею попереднього напруження реалізував французький інженер Ежен Фрейсіне в 1928 році.
Способи створення попереднього напруження
1 – Механічний спосіб;
- на упори
- на бетон
2 – Електротермічний спосіб (tо-ра натягу 300-350 оС)
3 – Використання самонапружуючих бетонів.
Сумісна робота арматури та бетону
Ця робота обумовлена допустимим сполученням фізико-механічних властивостей бетону та арматури:
а) зчеплення арматури з бетоном (адгезія);
б) бетон захищає арматуру від впливу зовнішнього середовища;
в) сталь та бетон мають близькі коефіцієнти лінійного розширення.
αst = 12 . 10-6, сталь
αbt = (7 ÷ 15) . 10-6 , бетон.
До tо-ри ~ 100о С початкові напруження в матеріалах незначні.
Фізико-механічні властивості бетону Класифікація
Бетон – штучний будівельний матеріал, який утворюється в результаті твердіння спеціально підібраної суміші:
крупного та дрібного заповнювачів;
в’яжучих матеріалів;
води.
Бетон як матеріал для ЗБК повинен мати наперед задані якості:
міцність;
щільність (густина);
висока адгезія.
Характеристики міцності
Міцність бетону – це опір дії зовнішнім силам до моменту руйнування. Міцність бетону залежить від ряду факторів:
вік бетону;
умови твердіння;
форма та розміри;
вид напруженого стану.
Міцність бетону збільшується протягом десятків років. Найбільш інтенсивно міцність зростає в перші 28 діб.
Рис. 5.
Міцність бетону можна визнати емпіричною формулою Б.Скрамтаєва
=
Rt – міцність бетону в віці t
R – міцність бетону в віці 28
При t ≈ 90o C та вологості 100 % за 24 години бетон набирає 70 % міцності.
При t ≈-10 o C твердіння припиняється. Після відтаювання твердіння бетону відновлюється, але кінцева міцність буде нижчою.
Кубикова міцність
Кубікова міцність – тимчасовий опір бетонного куба розміром 15х15х15 см, випробуваного на стиск за державним стандартом. Позначається символом R. Ця величина є еталоном характеристик міцності.
Рис. 6.
Кубикова міцність R є умовною характеристикою і не може використовуватись в розрахункових формулах. Реальні елементи конструкцій за формою нагадують не куб, а призму. Тому введено ще одну характеристику бетону в роботі на стиск.
Призмова міцність бетону
Призмова міцність бетону – тимчасовий опір осьовому стиску бетонної призми з відношенням висоти до ширини основи h/a ≥4 , випробуваної за стандартом. Позначається Rb.
За результатами дослідів Rb = 0,7 R .
Міцність бетону при локальному стиску
Рис. 7.
Зовнішнє навантаження діє на обмеженій площі перерізу бетонного елемента , який працює на стиск.
За рахунок дії ефекту обойми міцність бетону на зминання вища призмової.
Позначається символом Rb,loc
Rb,loc = α φb Rb ;
α та φb визначаються за СНиП 2.03.01-84*,
крім того α . φb ≥ 1 .
Міцність бетону на осьовий розтяг
Міцність бетону на осьовий розтяг – тимчасовий опір бетону на осьовий розтяг стандартного зразка. Позначається Rbt . Міцність бетону на розтяг в 10-20 разів нижче міцності на стиск. Цей параметр використовується при розрахунках ЗБК на міцність, утворення та розкриття тріщин. Визначається за емпіричною формулою
;
Міцність бетону при зрізі і сколюванні
Чистий зріз – це поділ бетонного елементу на частини за перерізом, в якому прикладені поперечні сили Q. Позначають Rsh . Визначають за емпіричною формулою
Rsh ≈ Rbt .
Сколювання – взаємне зміщення частин згинального елементу до появи похилих тріщин. Позначається Rck .
Rck = (1,5 ÷ 2) Rbt .
Міцність бетону при довготривалій дії навантаження
Межа довготривалого опору бетону – це найбільший рівень напружень в часі. Експериментально доведено, що при довготривалій дії навантаження, міцність бетону становить 90% ніж при короткочасній.
Rb l = 0,9 Rb ( ℓ - long ) тривалий
Зниження міцності викликане структурними змінами в бетоні за рахунок впливу пластичних деформацій.
Міцність бетону при багаторазових повторних навантаженнях
Характеризується границею витривалості бетону Rr
Рис. 8.
Динамічне зміцнення бетону
Це явище спостерігається при дії ударного навантаження. При цьому бетон працює пружно. Позначається Rd .
Rd ≈ (1,1 ÷ 1,5) Rb .